[论文解读] Demonstration of weak optical pumping of a spin qubit in a site-controlled nanowire quantum dot

Konstantinos G. Lagoudakis, Peter L. McMahon+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文通过弱光泵浦实现了在位置可控的纳米线量子点中单自旋的高保真度光学初始化，这是迈向可扩展、全光控自旋量子比特以实现容错量子计算的关键一步。该技术可在可扩展的阵列兼容平台上实现自旋量子比特的确定性制备。

ABSTRACT

A fault-tolerant quantum repeater or quantum computer using solid-state spin-based quantum bits will likely require a physical implementation with many spins arranged in a grid. Self-assembled quantum dots (QDs) have been established as attractive candidates for building spin-based quantum information processing devices, but such QDs are randomly positioned, which makes them unsuitable for constructing large-scale processors. Recent efforts have shown that quantum dots embedded in nanowires can be deterministically positioned in regular arrays, can store single charges, and have excellent optical properties, but so far there have been no demonstrations of spin qubit operations using nanowire quantum dots. Here we demonstrate optical pumping of individual spins trapped in site-controlled nanowire quantum dots, resulting in high-fidelity spin-qubit initialization. This represents the next step towards establishing spins in nanowire quantum dots as quantum memories suitable for use in a large-scale, fault-tolerant quantum computer or repeater based on all-optical control of the spin qubits.

研究动机与目标

• 开发基于位置可控的纳米线量子点的可扩展自旋基量子信息处理平台。
• 通过在规则阵列中实现确定性定位，克服自组装量子点随机位置带来的限制。
• 建立对纳米线量子点中单自旋的光学控制，以实现初始化和操控，适用于量子计算。
• 证明纳米线量子点可通过光泵浦实现高保真度自旋量子比特初始化。
• 为基于全光控自旋的容错量子中继器和大规模量子计算机铺平道路。

提出的方法

• 利用位置可控的纳米线量子点，在规则阵列中实现量子点的确定性定位。
• 采用弱光泵浦，对量子点中束缚的单个电子的自旋态进行初始化。
• 利用纳米线量子点优异的光学特性，通过光实现高效的自旋态制备。
• 在单量子点水平上施加光学激发，通过自旋选择性光学跃迁实现自旋极化。
• 利用偏振分辨光致发光验证自旋极化的程度以及初始化的保真度。
• 确保量子点具备单电荷存储能力，以维持清晰定义的自旋量子比特态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过光泵浦在位置可控的纳米线量子点中实现高保真度自旋量子比特初始化？
• RQ2 位置可控的纳米线量子点的确定性定位是否可实现其在大规模量子处理器中的可扩展集成？
• RQ3 纳米线量子点是否具备全光控量子信息处理所需的必要光学与自旋特性？
• RQ4 该系统中通过弱光泵浦实现的自旋初始化保真度是多少？
• RQ5 能否仅通过光学控制可靠地制备这些量子点中的单个自旋？

主要发现

• 通过弱光泵浦，在位置可控的纳米线量子点中成功实现了单自旋的高保真度初始化。
• 该方法可在可扩展的、阵列兼容的平台上实现自旋量子比特态的确定性全光制备。
• 位置可控的纳米线量子点表现出优异的光学特性，适用于自旋初始化与操控。
• 所展示的光泵浦技术产生强烈的自旋极化，表明初始化保真度很高。
• 该系统支持单电荷存储，确保了自旋量子比特态的稳定与清晰定义。
• 本工作为将纳米线量子点用作容错量子计算架构中的量子存储器奠定了关键基础。